Anxious Albatross
Проверенный
- Сообщения
- 101
- Реакции
- 0
Нобелевский комитет по физике продолжает радовать любителей космоса. Посудите сами – сегодня была присуждена седьмая «космическая» Нобелевская премия за XXI тысячелетие (и третья «нейтринная», а всего, кажется, пятая). И, к слову, первая премия по физике за треть века, которая присуждена единолично.
Итак, Нобелевская премия по физике 2026 года присуждена бельгийскому ученому Фрэнсису Хальзену «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино, имеющих астрофизическое происхождение». Так чем же прославился 82-летний Хальзен и что такое обсерватория IceCube?
История Нобелевской премии 2026 года началась, наверное, 4 декабря 1930 года, когда в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене будущий нобелевский лауреат Вольфганг Паули попытался спасти закон сохранения энергии, который, кажется, ставила под вопрос проблема бета-распада ядра: спектр электронов при этом явлении оказался непрерывным.
Вольфганг Паули
Wikimedia Commons
Паули предположил, что «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица, которая не заряжена и практически не взаимодействует с веществом. Он назвал ее «нейтрон». Однако в 1932 году нейтрон – привычную нам тяжелую частицу – открыл Джеймс Чедвик и тоже дал ей имя «нейтрон». В 1934 году Ферми предложил назвать «нейтрон» Паули «нейтрончиком» - или «нейтрино» по-итальянски.
Экспериментально нейтрино удалось обнаружить в 1950-х. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн были полны решимости обнаружить предсказанную Паули загадочную частицу – и даже предлагали в 1951 году ради этого взорвать атомную бомбу (зря, что ли, в Лос-Аламосе работали). Но передумали, поскольку в их распоряжении появился ядерный реактор в Южной Каролине, где в 1956 году и было открыто нейтрино. За что почти 40 лет спустя, в 1995 году получили Нобелевскую премию. Точнее – получил ее 77-летний Райнес, Коуэн прожил короткую жизнь, скончавшись в 1974 году в возрасте 54 лет.
Одно из первых наблюдений нейтринного события в пузырьковой камере. 13 ноября 1970 года
Wikimedia Commons
Оказалось, что нейтрино существует сразу три сорта – электронное, мюонное и тау-нейтрино, и они способны превращаться друг в друга (что свидетельствует о существовании у частиц ненулевой массы). Это принесло Нобелевскую премию по физике 2015 года (за открытие второй разновидности нейтрино – мюонного – Нобелевскую премию дали в 1988 году, еще до премии за открытие самого нейтрино).
А в 2002 году Нобелевская премия была вручена за открытие нейтрино, которые приходят на Землю из космоса.
И вот тут пришла пора рассказать о лауреате 2026 года.
Френсис Хальзен вырос в Бельгии. Его привлекла физика элементарных частиц благодаря прогрессу в этой области в 1960-х годах, и поначалу он сосредоточился на массивных частицах, состоящих из кварков. Он работал в Церне Вскоре после защиты докторской диссертации он переехал в Висконсинский университет в Мадисоне, США. Позже он понял, что физика элементарных частиц может почерпнуть из частиц, приходящих к нам из космоса, и как астрофизика, в свою очередь, может использовать достижения физики элементарных частиц. И тогда он обратил свое внимание на нейтрино.
Астрофизические события приводят к рождению высокоэнергетических фотонов (гамма-кванты), протонов и нейтрино. Протоны приходят на Землю по искаженным траекториям. Гамма-кванты задерживаются пылью, а в атмосфере рождают ливни частиц, и только нейтрино движутся прямо, проходят сквозь землю и на обратной стороне детектируются нейтринными телескопами.
Nobelprize.org
Примерно в 1960 году ряд физиков высказал предположение о том, что вода может стать хорошим вариантом для детектирования космических нейтрино.
В редких случаях, когда нейтрино сталкивается с атомным ядром, образуется заряженная частица, которая движется быстрее света в среде (не в вакууме) в том же направлении, что и исходное нейтрино, и испускает синий свет черенковского излучения. Поскольку вода прозрачна, этот свет можно обнаружить. При использовании подходящего оборудования можно определить направление движения света и даже увидеть, откуда прилетело нейтрино. Самый важный фактор — наличие достаточного объема воды, чтобы можно было увидеть следы многочисленных столкновений нейтрино.
Так выглядит детектор IceСube
Wikimedia Commons
Как ни странно, но вдохновением для Хальзена послужила идея советских физиков «ловить» нейтрино в Арктике. В 1980-х годах, когда Хальзен работал с космическими частицами, он узнал, что советские исследователи планируют использовать радиоприемники для улавливания нейтринных сигналов в Антарктиде. Их идея заключалась в том, что при столкновении нейтрино с атомным ядром во льду возникает электрическая искра, которая порождает радиоволну. Если она достаточно сильная, ее можно уловить с помощью радиоантенны.
Хальзен творчески переосмыслил эту идею и понял, что можно установить фотоумножители в толще арктического или антарктического льда и искать вспышки света от столкновений. Если правильным образом организовать массив датчиков, то получится настоящий нейтринный телескоп.
Кстати, важный факт: на самом деле нейтринный телескоп «смотрит» сквозь Землю – нейтрино легко пронизывают нашу планету, и Земля служит естественным фильтром от других частиц, которые могут вносить шум в наблюдения.
Итак, Хальзен связался со своим коллегой по исследованиям Джоном Г. Лернедом, который работал над проектом DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector Project). Это был аналогичный проект, целью которого было улавливать сигналы черенковского излучения от взаимодействующих нейтрино в глубоких и чистых океанских водах у берегов Гавайев. Вместе физики обсудили возможности и трудности, связанные с улавливанием нейтрино в Антарктиде. Впервые они представили свою концепцию нейтринной обсерватории во льдах Южного полюса в 1988 году на конференции в Польше.
Схема проекта DUMAND
Wikimedia Commons
Фрэнсис Хальзен показал, что размещение нейтринной обсерватории на географическом Южном полюсе имеет множество преимуществ: там уже располагалась исследовательская антарктическая станция Амундсен-Скотт с налаженной системой регулярных перевозок и всем необходимым для работы команды.
Лед также обладает множеством преимуществ как материал. На достаточно большой глубине царит вечная темнота. В отличие от океана, здесь нет помех в виде живых существ, а уровень радиоактивных веществ очень низкий. Лед стабилен и служит твердой поверхностью для людей, работающих на объекте. Этот район геологически стабилен, здесь не бывает землетрясений.
Один из недостатков заключается в том, что из-за холода поездки на Южный полюс и обратно большую часть года невозможны. Вся практическая работа должна проводиться в течение короткого антарктического лета, с ноября по февраль.
Поначалу Хальзен довольствовался теоретической работой, в то время как Лернед был занят собственным проектом и больше не возвращался к их теориям о поиске нейтрино на Южном полюсе. На этом история могла бы закончиться, но концепция вызвала такой интерес, что через несколько лет вокруг физика собрались исследователи из разных институтов, чтобы воплотить его идею о нейтринной обсерватории в Антарктиде.
Сначала исследовательская группа протестировала погружение датчиков во лед в Гренландии, чтобы убедиться, что они могут регистрировать свет от частиц во льду. Затем они приступили к строительству первой нейтринной обсерватории на Южном полюсе — предшественницы IceCube, AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array).
Хальзен рассказывал, что в канун Рождества 1993 года он сидел за обеденным столом с компьютером на коленях и ждал сообщения, подтверждающего, что первый кабель с оптическими модулями проложен во льду.
Верхняя часть льда была полна пузырьков, которые рассеивали свет в разных направлениях и размывали информацию о движении частиц, поэтому первые попытки не увенчались успехом. Однако ниже глубины в 1400 метров лед оказался чрезвычайно чистым и прозрачным. Там вспышки света от нейтрино могли распространяться на 300 метров, прежде чем поглощались, — гораздо дальше, чем кто-либо ожидал. Одним из побочных результатов проекта по изучению нейтрино стало то, что исследователи многое узнали о свойствах льда на разных глубинах.
Строительство AMANDA продолжалось до января 2000 года. Все работало как надо, но установка не справлялась с задачей обнаружения высокоэнергетических нейтрино от ускорителей космических частиц. Требовался больший объем, поэтому начались работы над IceCube, частью которого стала AMANDA — кубическим километром льда, оснащенным светочувствительными датчиками. IceCube достиг своего полного размера в 2011 году, в нем было 5160 светочувствительных датчиков, распределенных между 86 кабелями.
Схема IceCube
Wikimedia Commons
Идея проекта IceCube — вывести нейтринную астрономию на новый уровень. Предполагается, что нейтрино дадут информацию о явлениях, скрытых за пылевыми облаками, или об объектах, которые находятся так далеко, что другие виды излучения не доходят до нас. Цель проекта — получить знания, которые невозможно получить никаким другим способом.
По сравнению с протонами, нейтрино имеют то преимущество, что они не заряжены электрически. Путь заряженных протонов в пространстве искривляется под воздействием магнитных полей, через которые они проходят, поэтому невозможно определить их происхождение, отслеживая направление их движения. Однако процессы, ускоряющие протоны, также порождают нейтрино, на которые не влияют магнитные поля, поэтому можно определить, где ускоряются протоны космических лучей, проследив путь нейтрино с самой высокой энергией.
Здание IceCube
Wikimedia Commons
За 15 лет работы IceCube удалось получить много очень интересных результатов. Уже в 2013 году было объявлено о регистрации 28 высокоэнергетических нейтрино, которые пришли из-за пределов Солнечной системы, среди них – «Берт» и «Эрни», нейтрино с самой высокой энергией, порядка петаэлектронвольт, за всю историю наблюдений. Имена частицам выбрали в честь героев телешоу «Улица Сезам».
Одна из важных целей — определение отдельных источников космических нейтрино. IceCube обнаружил несколько потенциальных источников, в том числе активную галактику NGC 1068 (также известную как M77). Из зарегистрированных IceCube нейтрино 79, по всей видимости, пришли со стороны этой галактики. Однако этих данных недостаточно, чтобы однозначно утверждать, что NGC 1068 является источником нейтрино. Чем больше нейтрино зафиксируют датчики, тем выше вероятность того, что удастся установить их происхождение. Были зарегистрированы и нейтрино из нашей галактики.
Галактика М77
Wikimedia Commons
Очень красивый эффект, который удалось обнаружить на IceCube – тень Луны, которую она оставляет в потоке космических лучей, падающих на Землю.
Таким образом безумная идея, рожденная Хальзеном «рикошетом» от идеи советских физиков, дала в руки современной астрономии новый, абсолютно уникальный инструмент, который, работая в упряжке с другими нейтринными установками (в число которых входит и российский Baikal-GVD – о нем тоже упомянули во время представления нового нобелевского лауреата) соединяет астрофизику с физикой элементарных частиц и позволяет нам раскрыть новые тайны Вселенной. Вот за это и присуждена Нобелевская премия по физике 2026 года.
Российская почтовая марка, посвященная телескопу Baikal-GVD
Wikimedia Commons
Продолжить чтение...
Итак, Нобелевская премия по физике 2026 года присуждена бельгийскому ученому Фрэнсису Хальзену «за решающий вклад в создание нейтринной обсерватории IceCube и открытие высокоэнергетических нейтрино, имеющих астрофизическое происхождение». Так чем же прославился 82-летний Хальзен и что такое обсерватория IceCube?
История Нобелевской премии 2026 года началась, наверное, 4 декабря 1930 года, когда в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене будущий нобелевский лауреат Вольфганг Паули попытался спасти закон сохранения энергии, который, кажется, ставила под вопрос проблема бета-распада ядра: спектр электронов при этом явлении оказался непрерывным.
Вольфганг Паули
Wikimedia Commons
Паули предположил, что «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица, которая не заряжена и практически не взаимодействует с веществом. Он назвал ее «нейтрон». Однако в 1932 году нейтрон – привычную нам тяжелую частицу – открыл Джеймс Чедвик и тоже дал ей имя «нейтрон». В 1934 году Ферми предложил назвать «нейтрон» Паули «нейтрончиком» - или «нейтрино» по-итальянски.
Экспериментально нейтрино удалось обнаружить в 1950-х. Фредерик Райнес и Клайд Коуэн были полны решимости обнаружить предсказанную Паули загадочную частицу – и даже предлагали в 1951 году ради этого взорвать атомную бомбу (зря, что ли, в Лос-Аламосе работали). Но передумали, поскольку в их распоряжении появился ядерный реактор в Южной Каролине, где в 1956 году и было открыто нейтрино. За что почти 40 лет спустя, в 1995 году получили Нобелевскую премию. Точнее – получил ее 77-летний Райнес, Коуэн прожил короткую жизнь, скончавшись в 1974 году в возрасте 54 лет.
Одно из первых наблюдений нейтринного события в пузырьковой камере. 13 ноября 1970 года
Wikimedia Commons
Оказалось, что нейтрино существует сразу три сорта – электронное, мюонное и тау-нейтрино, и они способны превращаться друг в друга (что свидетельствует о существовании у частиц ненулевой массы). Это принесло Нобелевскую премию по физике 2015 года (за открытие второй разновидности нейтрино – мюонного – Нобелевскую премию дали в 1988 году, еще до премии за открытие самого нейтрино).
А в 2002 году Нобелевская премия была вручена за открытие нейтрино, которые приходят на Землю из космоса.
И вот тут пришла пора рассказать о лауреате 2026 года.
Френсис Хальзен вырос в Бельгии. Его привлекла физика элементарных частиц благодаря прогрессу в этой области в 1960-х годах, и поначалу он сосредоточился на массивных частицах, состоящих из кварков. Он работал в Церне Вскоре после защиты докторской диссертации он переехал в Висконсинский университет в Мадисоне, США. Позже он понял, что физика элементарных частиц может почерпнуть из частиц, приходящих к нам из космоса, и как астрофизика, в свою очередь, может использовать достижения физики элементарных частиц. И тогда он обратил свое внимание на нейтрино.
Астрофизические события приводят к рождению высокоэнергетических фотонов (гамма-кванты), протонов и нейтрино. Протоны приходят на Землю по искаженным траекториям. Гамма-кванты задерживаются пылью, а в атмосфере рождают ливни частиц, и только нейтрино движутся прямо, проходят сквозь землю и на обратной стороне детектируются нейтринными телескопами.
Nobelprize.org
Примерно в 1960 году ряд физиков высказал предположение о том, что вода может стать хорошим вариантом для детектирования космических нейтрино.
В редких случаях, когда нейтрино сталкивается с атомным ядром, образуется заряженная частица, которая движется быстрее света в среде (не в вакууме) в том же направлении, что и исходное нейтрино, и испускает синий свет черенковского излучения. Поскольку вода прозрачна, этот свет можно обнаружить. При использовании подходящего оборудования можно определить направление движения света и даже увидеть, откуда прилетело нейтрино. Самый важный фактор — наличие достаточного объема воды, чтобы можно было увидеть следы многочисленных столкновений нейтрино.
Так выглядит детектор IceСube
Wikimedia Commons
Как ни странно, но вдохновением для Хальзена послужила идея советских физиков «ловить» нейтрино в Арктике. В 1980-х годах, когда Хальзен работал с космическими частицами, он узнал, что советские исследователи планируют использовать радиоприемники для улавливания нейтринных сигналов в Антарктиде. Их идея заключалась в том, что при столкновении нейтрино с атомным ядром во льду возникает электрическая искра, которая порождает радиоволну. Если она достаточно сильная, ее можно уловить с помощью радиоантенны.
Хальзен творчески переосмыслил эту идею и понял, что можно установить фотоумножители в толще арктического или антарктического льда и искать вспышки света от столкновений. Если правильным образом организовать массив датчиков, то получится настоящий нейтринный телескоп.
Кстати, важный факт: на самом деле нейтринный телескоп «смотрит» сквозь Землю – нейтрино легко пронизывают нашу планету, и Земля служит естественным фильтром от других частиц, которые могут вносить шум в наблюдения.
Итак, Хальзен связался со своим коллегой по исследованиям Джоном Г. Лернедом, который работал над проектом DUMAND (Deep Underwater Muon And Neutrino Detector Project). Это был аналогичный проект, целью которого было улавливать сигналы черенковского излучения от взаимодействующих нейтрино в глубоких и чистых океанских водах у берегов Гавайев. Вместе физики обсудили возможности и трудности, связанные с улавливанием нейтрино в Антарктиде. Впервые они представили свою концепцию нейтринной обсерватории во льдах Южного полюса в 1988 году на конференции в Польше.
Схема проекта DUMAND
Wikimedia Commons
Фрэнсис Хальзен показал, что размещение нейтринной обсерватории на географическом Южном полюсе имеет множество преимуществ: там уже располагалась исследовательская антарктическая станция Амундсен-Скотт с налаженной системой регулярных перевозок и всем необходимым для работы команды.
Лед также обладает множеством преимуществ как материал. На достаточно большой глубине царит вечная темнота. В отличие от океана, здесь нет помех в виде живых существ, а уровень радиоактивных веществ очень низкий. Лед стабилен и служит твердой поверхностью для людей, работающих на объекте. Этот район геологически стабилен, здесь не бывает землетрясений.
Один из недостатков заключается в том, что из-за холода поездки на Южный полюс и обратно большую часть года невозможны. Вся практическая работа должна проводиться в течение короткого антарктического лета, с ноября по февраль.
Поначалу Хальзен довольствовался теоретической работой, в то время как Лернед был занят собственным проектом и больше не возвращался к их теориям о поиске нейтрино на Южном полюсе. На этом история могла бы закончиться, но концепция вызвала такой интерес, что через несколько лет вокруг физика собрались исследователи из разных институтов, чтобы воплотить его идею о нейтринной обсерватории в Антарктиде.
Сначала исследовательская группа протестировала погружение датчиков во лед в Гренландии, чтобы убедиться, что они могут регистрировать свет от частиц во льду. Затем они приступили к строительству первой нейтринной обсерватории на Южном полюсе — предшественницы IceCube, AMANDA (Antarctic Muon And Neutrino Detector Array).
Хальзен рассказывал, что в канун Рождества 1993 года он сидел за обеденным столом с компьютером на коленях и ждал сообщения, подтверждающего, что первый кабель с оптическими модулями проложен во льду.
Верхняя часть льда была полна пузырьков, которые рассеивали свет в разных направлениях и размывали информацию о движении частиц, поэтому первые попытки не увенчались успехом. Однако ниже глубины в 1400 метров лед оказался чрезвычайно чистым и прозрачным. Там вспышки света от нейтрино могли распространяться на 300 метров, прежде чем поглощались, — гораздо дальше, чем кто-либо ожидал. Одним из побочных результатов проекта по изучению нейтрино стало то, что исследователи многое узнали о свойствах льда на разных глубинах.
Строительство AMANDA продолжалось до января 2000 года. Все работало как надо, но установка не справлялась с задачей обнаружения высокоэнергетических нейтрино от ускорителей космических частиц. Требовался больший объем, поэтому начались работы над IceCube, частью которого стала AMANDA — кубическим километром льда, оснащенным светочувствительными датчиками. IceCube достиг своего полного размера в 2011 году, в нем было 5160 светочувствительных датчиков, распределенных между 86 кабелями.
Схема IceCube
Wikimedia Commons
Идея проекта IceCube — вывести нейтринную астрономию на новый уровень. Предполагается, что нейтрино дадут информацию о явлениях, скрытых за пылевыми облаками, или об объектах, которые находятся так далеко, что другие виды излучения не доходят до нас. Цель проекта — получить знания, которые невозможно получить никаким другим способом.
По сравнению с протонами, нейтрино имеют то преимущество, что они не заряжены электрически. Путь заряженных протонов в пространстве искривляется под воздействием магнитных полей, через которые они проходят, поэтому невозможно определить их происхождение, отслеживая направление их движения. Однако процессы, ускоряющие протоны, также порождают нейтрино, на которые не влияют магнитные поля, поэтому можно определить, где ускоряются протоны космических лучей, проследив путь нейтрино с самой высокой энергией.
Здание IceCube
Wikimedia Commons
За 15 лет работы IceCube удалось получить много очень интересных результатов. Уже в 2013 году было объявлено о регистрации 28 высокоэнергетических нейтрино, которые пришли из-за пределов Солнечной системы, среди них – «Берт» и «Эрни», нейтрино с самой высокой энергией, порядка петаэлектронвольт, за всю историю наблюдений. Имена частицам выбрали в честь героев телешоу «Улица Сезам».
Одна из важных целей — определение отдельных источников космических нейтрино. IceCube обнаружил несколько потенциальных источников, в том числе активную галактику NGC 1068 (также известную как M77). Из зарегистрированных IceCube нейтрино 79, по всей видимости, пришли со стороны этой галактики. Однако этих данных недостаточно, чтобы однозначно утверждать, что NGC 1068 является источником нейтрино. Чем больше нейтрино зафиксируют датчики, тем выше вероятность того, что удастся установить их происхождение. Были зарегистрированы и нейтрино из нашей галактики.
Галактика М77
Wikimedia Commons
Очень красивый эффект, который удалось обнаружить на IceCube – тень Луны, которую она оставляет в потоке космических лучей, падающих на Землю.
Таким образом безумная идея, рожденная Хальзеном «рикошетом» от идеи советских физиков, дала в руки современной астрономии новый, абсолютно уникальный инструмент, который, работая в упряжке с другими нейтринными установками (в число которых входит и российский Baikal-GVD – о нем тоже упомянули во время представления нового нобелевского лауреата) соединяет астрофизику с физикой элементарных частиц и позволяет нам раскрыть новые тайны Вселенной. Вот за это и присуждена Нобелевская премия по физике 2026 года.
Российская почтовая марка, посвященная телескопу Baikal-GVD
Wikimedia Commons
Продолжить чтение...